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Atuadores Hidráulicas

Desenvolvimento Teórico:

3 - Atuadores hidráulicos São responsáveis pela conversão da energia hidráulica em energia mecânica para

realizar um determinado trabalho. Os atuadores hidráulicos são disponíveis em várias formas para permitir uma ação

específica. Chamamos de cilindro os atuadores lineares, pois desenvolvem um trabalho linear; os motores (atuadores rotativos) executam um movimento rotativo contínuo e os chamados osciladores (atuadores semi-rotativos) executam uma volta incompleta (arco) um número limitado de voltas.3.1 - Atuadores lineares

Quando o fluido é bombeado para o interior da câmara de um cilindro, o pistão e a haste são forçados a efetuarem um movimento empurrando ou puxando uma carga. Após o avanço o mesmo pode retornar por ação da gravidade, da força de uma mola ou de um fluxo reverso de fluido proveniente da bomba.

Fazendo uma pequena comparação entre os cilindros empregados para sistemas pneumáticos e hidráulicos, sua forma construtiva não apresenta muita diferença. Entretanto, os cilindros hidráulicos diferenciam-se por:

Serem mais robustos em razão das maiores pressões de serviço (material mais resistente e maiores dimensões).

As vedações são mais perfeitas

Os atuadores lineares podem ser divididos em três grupos principais: Haste sólida (de deslocamento) Simples ação Dupla ação

3.1.1 - Cilindro de haste sólida Este cilindro consiste de uma haste a qual é deslocada de um lado de um tubo pelo

bombeamento de fluido para o interior do tubo. O volume da haste que sai de dentro do tubo é igual ao volume de fluido entrando no tubo, por isso é algumas vezes chamado de "cilindro de deslocamento".

Figura 6: Cilindro de haste sólida.

Esse cilindro é projetado para que, pelo menos, o peso próprio da haste execute o recuo (ou outro tipo de força externa). A qualidade do acabamento da superfície interna do tubo não é necessariamente muito alta, o que reduz bastante os custos de fabricação quando comparados com outras formas construtivas de cilindros.

A força máxima a ser exercida pelo cilindro é determinada pela seguintes relação:Força máxima = pressão área da haste

onde d é o diâmetro da haste. A velocidade de avanço é determinada por:

Uma variação do cilindro de haste sólida é o cilindro telescópico. Os cilindros telescópicos são usados quando um grande deslocamento é necessário e existe uma limitação de espaço no sentido do comprimento do cilindro. Eles consistem de varias hastes uma entrando na outra e funcionam pelo princípio do deslocamento.

Os tubos (hastes) contém um colar na sua parte traseira, onde também existem passagem para o fluido e ao mesmo tempo impedem a separação dos mesmos. Quando o mesmo recebe o comando para o avanço, todas as seções movimentam-se juntas até que sendo a parte mais interna a última a deslocar-se.

Para uma mesma quantidade de vazão que chega no cilindro, a velocidade de avanço vai aumentando conforme cada sucessiva seção (geralmente denominada de estágio) atinge seu final de curso. Similarmente, para uma pressão máxima a capacidade de mover uma carga vai reduzindo.

3.1.2 - Cilindro de simples ação Esses cilindros podem ser acionados em uma única direção (ou avança ou recua) por

forças hidráulicas; o movimento de retorno é realizado ou pela ação de uma mola ligada na haste do cilindro ou por outro tipo de força externa.

Para existir uma boa vedação no pistão, a câmara cilindro deve ter um bom acabamento superficial (brunimento). O lado do pistão não tocado pelo óleo deve ser drenada para não aprisionar óleo e reduzir o curso útil do cilindro.

Figura 8: Formas de ligação de mola com a haste.

3.1.3 - Cilindro de dupla ação Esse tipo de cilindro é acionado tanto para

avanço quanto para recuo pelo fornecimento de fluido da bomba, para um lado apropriado do cilindro. O cilindro consiste de um tubo com tampas nas extremidades as quais podem ser soldadas, roscadas ou

presas por tirantes com roscas nas pontas. Esse cilindro pode ter uma ou duas hastes e, neste caso, pelo menos uma das tampas terá uma bucha de vedação para servir de apoio para a haste.

O mais empregado é um cilindro de haste única, quando apresenta-se com duas hastes é denominado de cilindro com haste passante. A principal aplicação de um cilindro de haste passante é quando faz-se necessária a mesma velocidade de avanço e recuo; o que não verifica-se com o cilindro de haste única pela existência de áreas diferentes. Outras aplicações do cilindro de haste passante é que o uma das pontas pode ser usada para sinalizar o posicionamento da outra ponto, assim como este cilindro apresenta a vantagem de um bom alinhamento

Figura 10: Cilindro de dupla ação com haste passante.

a - Para a determinação da velocidade de um cilindro de dupla ação e haste única, são consideradas:

Área do pistão 

Área da coroa circular 

Quando o pistão deve avançar a velocidade 

Logo 

Então, quando a haste do pistão está avançando, a vazão fluido que sai de dentro do cilindro (chamada de vazão induzida de avanço) é menor do que a vazão que está chegando da bomba.

Quando a haste do cilindro deve recuar; assumindo q a vazão que chega no lado da câmara da haste e Q a vazão no outro lado do câmara do cilindro.

Logo, a velocidade do pistão 

ou então  Portanto, quando a haste do cilindro está recuando a vazão que deixa o cilindro

(vazão induzida de recuo) é maior do que a vazão que vem da bomba. b - Para a determinação da força disponível na haste de um cilindro de dupla ação com haste simples, devem considerar dois tipos de força. Muitos autores fazem a distinção entre força estática e força dinâmica sendo a força dinâmica 0,9 vezes a força estática. Outras

considerações podem ser levadas a efeito tais como atritos, inércia, atrito interno no êmbolo devido a vedação (usualmente de 5 bar) etc.

A força estática desenvolvida por um cilindro hidráulico é o produto da pressão pela área.Durante o avanço teremos:

Durante o recuo:

3.1.4 - Tamanhos padronizados de cilindros

Diâmetro Diâmetro da Haste

do Pistão Pequena Grande

40 20 28

50 28 36

63 36 45

80 45 56

100 56 70

125 70 90

140 90 100

160 100 110

180 110 125

200 125 140

220 140 160

250 160 180

280 180 200

320 200 220

3.1.5 - Amortecimento de fim de cursoPara evitar os choques nos finais do curso os cilindros

hidráulicos têm sempre amortecimento de fim de curso. A partir de um determinado deslocamento da haste do

cilindro, uma quantidade de óleo é forçada a passar por um estrangulamento (geralmente variável) provando uma perda de carga (criando um contra pressão na câmara do cilindro). Essa contra-pressão provoca a frenagem do êmbolo.  

3.1.6 - Tipos de fixação dos cilindros hidráulicos

A fixação dos cilindros pode ser feita de várias maneiras:

 

1 - articulação paralela

2 - Articulação esférica

3 - Flange dianteiro

4 - Flange traseiro

5 - Basculamento central

6 - Fixação por pés

Quando a haste encontra-se em um ambiente com muito pó, a mesma dever ser protegida com um fole

que se distende e se retrai. Outros tipos de cilindro, assim como importantes parâmetro para correta aplicação e

utilização dos cilindros serão tratadas em outro material específico para projeto de sistemas hidráulicos.

3.2 - Motores hidráulicos

Da mesma forma que os cilindros, os motores hidráulicos têm como função básica, transformar a energia hidráulica em energia mecânica sob a forma de torque e rotação para movimentar uma carga.

Construtivamente, o motor assemelha-se a uma bomba hidráulica, apenas tem uma função inversa.3.2.1 - Classificação dos motores hidráulicos

Assim como as bombas (e cilindros) os motores podem uni ou bidirecionais (girar em um ou dois sentidos). Podem ser de vazão fixa ou variável, conforme possibilidade de alteração de seu deslocamento.

Os de vazão fixa, mais empregados, são: de engrenagens, de palhetas e de pistões (radiais ou axiais). Os construídos para ajuste no deslocamento são: palhetas e de pistões (radiais ou axiais).

Como ocorre com as bombas, o motor deve possuir uma linha de dreno utilizado para fazer a lubrificação das partes com movimento relativo. Procura-se minimizar a contra-pressão na tomada de saída do motor, o que poderá reduzir sua capacidade de vencer um determinado torque.

Uma vez entendido o princípio de funcionamento das bombas (desse mesmo tipo), seria repetitivo uma descrição da forma construtiva desses motores. O diferencial maior, será observado ao efetuar-se a utilização do mesmo, pois conforme necessidade de seu emprego exigirá um tipo de circuito hidráulico adequado (transmissões hidrostáticas). Para um maior aprofundamento consultar os livros recomendados, os quais apresentam maior detalhamento de imagens explicativas.3.2.2 - Determinação da capacidade de um motor hidráulico

Uma vez que verifica-se essa similaridade entre bomba e motor, as expressões matemáticas das bombas são empregadas de forma inversa. A seguir será feita sua exposição a partir dos rendimentos volumétrico, mecânico e global.

Rendimento volumétrico  é:

Onde  é vazão fornecida pela bomba que chega ao motor

Rendimento mecânico  é:

Onde  é o torque disponível no eixo do motor e  corresponde a variação de pressão entre a entrada e a saída do motor

Rendimento global  é:

A relação entre os rendimentos é a mesma:

3.3 - Osciladores hidráulicos

São também denominados de atuadores semi-rotativos, sendo estes dispositivos usados para converter uma energia hidráulica (fluxo sob pressão) em torque num ângulo de giro limitado pelo projeto do atuador. Para atender a qualquer situação de projeto é usual uma volta completa (ângulo de giro de 360 ), sendo possível exceder esse valor ao fazer uso de atuador semi-rotativo que emprega um pistão.

3.3.1 - Tipo palheta  

  Consiste de uma ou duas palhetas unida a um eixo

de saída que gira quando verifica-se uma variação de pressão entre as suas tomadas. Uma atuador com palheta única está limitado a um ângulo de giro de 320 e com duas em 150 , aproximadamente.

O máximo torque, mais freqüente, em um atuador com palheta única é de 40 103 Nm e para palheta dupla de 80 103 Nm.  

  3.3.2 - Tipo pinhão-cremalheira

Um cilindro hidráulico é usado para acionar a cremalheira e fazer gira a engrenagem (conforme mecanismo pinhão-cremaleira). Esse é o tipo de atuador semi-rotativo mais disponível comercialmente para aplicações hidráulicas, havendo uma maior diversidade em aplicações pneumáticas.

O ângulo de rotação depende do deslocamento da cremalheira e tamanho da engrenagem, na sua maioria efetuam 360 de ângulo de giro. Um parafuso de ajuste para sua posição final é geralmente disponível. Amortecimentos nos finais de seus cursos, também são muitas vezes empregados.

Os torques de saída, possíveis nesses tipos de atuadores, são de 800 103 Nm sob pressão de 210 bar.

Os atuadores semi-rotativos são empregados para movimentar objetos em ângulo controlado, como por exemplo

para abrir grandes válvulas borboleta em tubulações e para dobra de barras ou tubos. Eles são controlados com as mesmas válvulas usadas para atuadores lineares para ajustes de torque, velocidade e posição. O arco percorrido pode ser limitado por dispositivos mecânicos internos (ou externos) de parada, com amortecimento se necessário for.

Links Complementares:

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